概述
热冷电联供：是利用燃气内燃发电机组余热进行有效利用的新节能方式。在热电冷联产系统中，发电机组输出电能的同时，以机组废气的热量为能源，烟气通过特制的热交换系统加热介质水，使水温达到一定温度，通过溴化锂冷水机组制冷或制热，然后经过风机盘管空调器给房间制冷或供热。在该技术中，热电联产是基础。目的是为了解决热电联产系统中夏季热量需求低而导致系统经济性下降的问题。热电联产一般采用“以热定电” 的运行策略，其能源利用效率和经济性在很大程度上取决于用热量需求，而在实际运行过程中，由于热量需求全年变化非常大，所以热电联产的经济性比预想的要低得多。冷热电联产同样也要求热（或冷）量的使用全年要比较均衡，这就要求实现区域供冷，这在我国目前的条件下不易实现。热电冷联产系统问题存在的关键在于它是被动适应外界负荷的需求（以热定电），是一厢情愿的联供系统形式。
技术原理
a) 发电机组的特点
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适用范围
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优点
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缺点
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发展趋势
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备注
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蒸汽透平
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大型集中式电站, 工业用热电联供
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理论上可采用任何燃料技术成熟使用寿命长, 可靠性强
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发电效率低, 启动速度慢, 部分负荷性能差
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小型的“即插即
用”型蒸汽透平
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包括背压式和抽凝
式２种
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燃气轮机
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大型热电联供系统（１ＭＷ以上）
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可靠性高、功率范围大, 可与蒸汽透平组成联合循环发电, 具有有效的ＮＯｘ排放控制技术
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需要优质燃料, 机组价格昂贵, 在高海拔或环境温度较高时, 性能会大幅下降
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微型燃气轮机（已部分商业化）
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内燃机
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以下的发电
场合
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启动速度快, 部分负荷性能好, 技术成熟, 具有多种型号可供选择, 初投资低
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振动严重, 噪声大, 运动部件多, 维护周期短, 维修费用高,ＮＯｘ排量大
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具有更低排放的
内燃机
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包括点燃式和压燃
式２种
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斯特林机
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小型热电联供, 尤其适用于家用
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几乎可采用任何燃料, 排放低、效率高, 噪声低
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技术不成熟, 成本高, 回收余热的品位低
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降低成本, 采用太
阳能驱动
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燃料电池
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家用或小型联供系统
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发电效率高, 污染物排放少, 部分负荷性能好
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技术不成熟, 成本高, 商业化程度低, 工程风险高
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降低成本, 解决电解质腐蚀、燃料要求高等问题
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包括ＰＥＭＦＣ,ＡＦＣ,ＰＡＦＣ,ＭＣＦＣ和ＳＯＦＣ５类
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b)能量调度
冷热电联供系统中用户冷/热量的需求随外界条件的变化而改变，冷/热量的变化常常与电力需求不一致。目前设计的冷热电联供系统一般采用“以电定热” 的方案，冷/热量需求的变化需要采用适当的调节手段。根据用户的特点与当地的能源结构，冷热电联供系统的冷/热量调节手段主要有：
1）燃气直燃型溴化锂冷热水机组—原动机余热不能满足用户的冷/热负荷需求时，在电力比较紧张或价格较高的地区采用直燃型溴化锂机组提供用户的冷/热量不足部分，溴化锂机组具有良好的能量调节能力，可满足用户冷/热负荷变化的需求。
2)燃气机热泵（GHP）机组—它是燃气发动机直接驱动的蒸汽压缩式热泵机组。GHP机组的发动机转速可连续调节，机组在部分负荷时具有较高的一次能源利用率。
3)电力驱动的蒸汽压缩式冷水或热泵机组-主要用于电力供应充足而价格不高的地区，由常规的电制冷或热泵供应用户的冷/热量不足部分。也可结合联供系统，适当提高联供系统的发电量。
4)燃气进气冷却—主要用于燃气轮机型联供系统，利用余热制冷来冷却进气，提高发电效率。
5)蓄冷调节技术。冷热电联供系统中，常常采用吸收式制冷，常规的冰蓄冷技术不能使用，而水蓄冷因占地面积大而受到制约。高温（８～１０）蓄冷技术（如气体水合物相变蓄冷）是冷热电联供系统冷量调节的一个重要手段，值得重视。
c) 楼宇式天然气冷热电联供技术
（1）适用条件
a.冷热负荷
适用于长期使用的公共建筑，全年大部分时间有冷热负荷需求，且每天的运行时间较长，如酒店、商业、办公建筑或是有大量常年生活热水需求的用户。年运行时间低于３０００ｈ的用户，经济效益不明显。
b.各类负荷使用规律
适用于电力负荷与冷热负荷使用规律相似的用户，发电余热可以充分利用，能源综合利用率较高。否则宜增加蓄热和蓄冷设备，减少余热排放。
c.能源价格
适用于电价相对较高的公共建筑，或实行峰谷电价的用户。楼宇式天然气冷热电联供系统在高峰电价时段运行，不但可以缓解供电高峰时段的压力，而且可以减少用户高峰购电和制冷用电量，带来较好的经济效益和社会效益。
（2）发电设备
发电设备的驱动设备有燃气内燃机、小型燃气轮机、微型燃气轮机等，对于一个具体的项目，选用何种驱动设备需要根据工程具体条件进行分析。
a.发电功率
燃气内燃机的发电功率在６０００ｋＷ以下，适用范围较广，可选生产厂家多。小型燃气轮机的发电功率在６００ｋＷ以上，适用于较大规模的建筑群。微型燃气轮机的发电功率在３００ｋＷ以下，设备集成化较好，可用于较小规模的单独建筑。根据美国的统计资料，对于１０００ｋＷ以下的系统，燃气内燃机占绝对主导地位；对于１０００～５０００ｋＷ的系统，燃气轮机的数量大约为燃气内燃机的５０％；对于５０００ｋＷ以上的系统，燃气轮机逐渐占据了主导地位。
b.发电效率
相同发电功率下，燃气内燃机的发电效率通常高于燃气轮机。对于较大型的燃气轮机可采用燃气－蒸汽联合循环系统，具有更高的发电效率和调节灵活性。微型燃气轮机需要考虑环境影响，其发电功率和发电效率随进气温度和海拔升高而下降，且对进气清洁度的要求较高。燃气内燃机的发电功率受环境影响较小。随着负荷率降低，各种燃气发电机组的发电效率均呈下降趋势。
c.余热利用效率
燃气轮机的可利用余热大于燃气内燃机。当用户热（冷）需求较大且较稳定时，燃气轮机联供系统的总热电效率较高。对于冷热负荷波动较大的系统，燃气内燃机联供系统在部分负荷下具有更高的热电效率。
燃气轮机的余热形式主要是高温烟气，余热品位较高，容易回收利用，可产生参数较高的蒸汽或直接用于双效吸收式制冷。燃气内燃机的余热中有一部分是较低品位的热水，这部分余热只能用于单效吸收式制冷或制备生活热水。从系统火用效率分析，在满负荷工况下，燃气轮机的火用效率高于燃气内燃机，但随着负荷率降低，燃气轮机的火用效率下降。
d.燃气压力
燃气内燃机要求的燃气压力≤０．２ＭＰａ，小型燃气轮机要求的燃气压力≥１．０ＭＰａ，微型燃气轮机要求的燃气压力为０．４～０．８ＭＰａ。燃气内燃机的燃气压力较低，容易满足，小型燃气轮机和微型燃气轮机则需要较高压力的燃气，无较高压力燃气的地方需要设燃气增压机。燃气增压机需要消耗部分电能，因此降低了系统总效率。燃气增压机房为甲类厂房，对消防要求较高。
（3）余热利用设备
a.可利用的余热形式
小型燃气轮机和微型燃气轮机的余热形式主要是烟气，润滑油冷却水的热量很小。燃气内燃机的余热形式主要是烟气、缸套冷却水、中冷器冷却水，中冷器冷却水的热量较小。
b.余热温度
小型燃气轮机的烟气温度为３５０～６００℃；微型燃气轮机的烟气温度为２００～３５０℃；燃气内燃机的烟气温度为３５０～６００℃，缸套冷却水温度为７０～１００℃，中冷器冷却水的温度低于６０℃。
c.余热利用形式
当用户需要蒸汽时，燃气轮机的烟气可通过余热锅炉生产蒸汽，除供应蒸汽外还可通过双效吸收式制冷机供冷水，通过换热器供热水。
当用户无蒸汽需求，以冷负荷为主时，燃气内燃机、小型燃气轮机、微型燃气轮机的烟气均可通过双效吸收式制冷机供冷水，燃气内燃机的缸套冷却水可作为单效吸收式制冷机的热源。
当用户以生活热水负荷为主时，燃气内燃机、小型燃气轮机、微型燃气轮机的烟气和各部分冷却水均可通过余热锅炉生产热水，少量冷负荷可通过单效吸收式制冷机提供。
（4）补充供冷热设备
a.负荷调节
燃气发电机组在余热利用量波动时需要将多余的热量排放掉，多余的烟气可通过三通阀直接排空。冷却水热量一般通过散热水箱排放，也可通过冷却塔排放。
b.调峰设备
楼宇式天然气冷热电联供系统供应空调负荷时，一般由联供系统供应基本负荷，尖峰负荷由调峰设备补充。调峰设备可采用余热锅炉补燃、直燃机补燃、燃气锅炉、电制冷机、热泵等。
c.蓄热、蓄冷设备
为了平衡冷热负荷峰谷差，提高余热利用率，建议设置蓄热、蓄冷设备。
d) 可再生能源技术应用
太阳能热动力冷热电联供系统, 如图所示，利用太阳能集热器驱动闭式Brayton循环, 完成发电之后废热温度高达450K。利用一个气一气换热器加热送风系统的空气, 可以直接作为热源。在寒冷季节通过管路和散热器进行供热, 或者利用气一水换热器加热供水, 进行热水供暖或者供热水。在炎热季节, 则可以利用这部分余热驱动制冷系统供冷。另一种基于太阳能的冷热电联供是以太阳能电池为原动设备, 产生的电能驱动传统压缩式制冷或热泵可以完成冷、热与发电的联供循环。
图太阳能热动力冷热电联供系统
国内发展和应用现状
冷热电联供系统在我国的推广应用主要受到我国能源政策和相关产业生产与科研能力等因素的制约, 我国的部分地区已制定或正在制定促进冷热电联供技术应用的地方政策3如上海和杭州都实现了补贴政策。随着天然气在我国的推广应用, 特别是液化天然气在我国的上岸, 天然气的价格将与世界接轨, 呈下降趋势, 而我国的电力价格呈上升趋势, 所以未来的天然气型冷热电联供系统具有广阔的应用前景。在目前的天然气和电力价格体系下, 由于内燃机的价格比燃气轮机低得多, 内燃机驱动的冷热电联供系统的经济性比燃气轮机驱动的冷热电联供系统的经济性好, 但能源利用率相对较低。
经典案例
新先锋药业有限公司热电冷三联供
a) 新先锋药业有限公司的供能现状
新先锋药业有限公司原有的供能系统为热电冷三联供系统。配备的设备有：三台sHL20一25／400燃煤锅炉；两台BI一24／9．5／6抽汽背压式汽轮机，耗汽20．4t／h；两台QF一1—2发电机，发电功率1000kw，电压6300V；两台100m3(1．2MPa)蓄热器。虽然具有热电联产的硬件条件，但由于原有生产用汽负荷很小，夜间和白天用汽负荷相差很大，仍然无法实现热电联产的目标。目前供能方式为：锅炉降压降温运行，外供汽压力为1．2～1．6MPa，蒸汽温度为220～280℃，自用汽压力0．5MPa。两台抽汽背压汽轮发电要组及蓄热器均闲置未用，全厂用电全部由电网直接供应，制冷系统全部电动压缩式制冷。
b) 新先锋药业有限公司改造后的供能情况
原有的机、炉设备全部恢复铭牌运行；新增加一台100m3，2．5MPa高压蓄热器；新增两台FG一62N溴化锂制冷机。实现了热、电、冷三联供和能源的梯级利用，达到了节约能源的目的。热、电、冷联产供能系统如图1所示：
b) 现有的供能原理与节能措施如下：
1) 锅炉2．5MPa、400℃的过热蒸汽分别供应给汽轮发电机、喷射器及高压蓄热器。汽轮发电机组完成发电后的0．5MPa排汽供厂内生产、溴化锂制冷机及低压蓄热器；抽汽经喷射器喷射提高压力外供。
2) 使用以锅炉输出的过热蒸汽为热源的立式蓄热器这项新技术，对外供汽不足部分进行补充，同时保证外供汽的参数要求，即参数维持在1．2～1．3MPa，温度在220～250℃。
3) 利用锅炉新蒸汽吸卷汽轮机的抽汽(0．65MPa～0．85MPa)，混合成为1．2MPa，220℃的过热蒸汽外供给中芯国际，实现了能源梯级利用。
4) 原有一台闲置蓄热器作为中压蓄热器，汽轮机抽汽供应给喷射器作为吸卷蒸汽，剩余部分进入中压蓄热器。当夜间负荷很低无法形成抽汽时，中压蓄热器供应给喷射器吸卷蒸汽，即提高了喷射器的利用率，也增加了汽轮机负荷。
参考文献
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[2] 苏亚欣费正定杨翔翔，太阳能冷热电联供分布式能源系统的研究，能源工程，2004（5）：24~27
[3] 孙志高, 郭开华，分布式冷热电联供系统与能量调度，中山大学学报论丛, 2007（2）：42~46
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[6] 冯继蓓高峻杨杰等，楼宇式天然气冷热电联供技术在北京的应用，煤气与热力，2009。3（3）：10~13
